Qualifizierung der Strom- & Temperaturbelastung eines DC/DC-Wandlers Qualifizierung von Schaltnetzteilen: Teil 4

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Eine ausführliche Qualifizierung von Schaltnetzteilen ist unbedingt anzuraten und trägt zur Stabilität des Gesamtsystems bei. Diese Beitragsserie gibt Tipps und Hilfestellungen zur Qualifizierung von selbst entwickelten Schaltnetzteilen auf elektronischen Baugruppen. In diesem vierten Teil unserer Reihe geht es um die Qualifizierung der Strom- und Temperaturbelastung eines DC/DC-Wandlers.

In den ersten drei Teilen dieser Reihe haben wir uns mit den Grundlagen des Designs, des Layouts und der Simulation, den einzelnen Schritten bei der qualifizierenden Messung sowie als erster individueller Qualifizierung mit dem Testen des transienten Spannungsverhaltens von DC/DC-Wandlern beschäftigt. Diesmal geht es um die Qualifizierung der Strom- und Temperaturbelastung.

Typische Stromaufnahme auf der Schiene

Beim Test der typischen Stromaufnahme soll festgestellt werden, wie groß der mittlere Strombedarf des Wandlers bei einer realen Applikation – z. B. bei Ausführung einer typischen Software-Last – ist. Es soll außerdem überprüft werden, ob es stellenweise zu übermäßiger Hitzeentwicklung kommt. An dieser Stelle bietet es sich an, die vorherigen Simulationsergebnisse mit dem real gemessenen Strombedarf zu vergleichen. Signifikante Abweichungen zwischen Simulation und Messung können ein Indikator für fehlerhaftes Verhalten sein.

Bildergalerie

Absolut max. Stromabgabe der Schiene

Um die maximale Stromabgabe der Schiene auszutesten, wird die Stromtragfähigkeit der Leiterbahnen und des Reglers ausgereizt, d. h. der Wandler wird weit über seine Grenzen hinaus belastet. Bei diesem Test soll herausgefunden werden, ob es stellenweise zu übermäßiger Hitzeentwicklung kommt und wie sich eine übermäßige Last auf das System auswirkt; darüber hinaus, ob alle Schutzmechanismen greifen und schließlich, ob und ab wann mit Beschädigung des Systems zu rechnen ist.

Temperatur

Um den Punkt zu finden, ab dem das System geschädigt werden kann, werden Systeme häufig in einem Klimaschrank mit bestimmten Temperaturprofilen getestet. Jedoch führt eine zusätzliche, gesonderte Überprüfung auf Komponenten- bzw. Schaltungs-Ebene zu verlässlicheren Ergebnissen und höherem Vertrauen in die Schaltung.

Im Folgenden ist das Beispiel der Qualifizierung eines 30-A-Schaltreglers dargestellt, welcher einzeln auf seine maximale Ausgangsleistung eingestellt wurde. Es ist zu beobachten, wie die Wärme über die Platine effektiv abgeführt wird. Bei einem solchen Test sind unbedingt die Layout-Empfehlungen des Herstellers zur Entwärmung zu beachten. Der Regler selbst zeigt an seiner Gehäuseoberfläche eine maximale Temperatur von 61,5 ° C. Diese Temperatur liegt unterhalb des vorab aus dem Datenblatt extrahierten Schwellwertes (siehe auch Pass/Fail-Kriterien) in der Testmaske. Man muss dabei unbedingt beachten, dass die Temperatur an der Bauteiloberfläche geringer ist als die interne (meist ist die kritische Temperatur bei aktiven Bauelementen die sog. Junction-Temperatur). Hierzu müssen die Datenblattangaben bezüglich der thermischen Widerstände im Bauteilgehäuse berücksichtigt werden!

Wichtig: Bei der Messung von hohen Strömen bei Schaltwandlern mit einer geringen Ausgangsspannung ist zwingend auf parasitäre Serienwiderstände in den Zuleitungen zu achten.

In Bild 2 ist als Beispiel die Eingangskennlinie einer elektronischen Last (EA-EL3160-60) zu sehen:

Aus der Eingangscharakteristik der verwendeten elektronischen Last lässt sich folgende Anforderung für den maximalen Serienwiderstand zwischen der elektronischen Last und dem DuT (Device under Test) ableiten:

Dabei ist U_DuT die Ausgangsspannung des zu belastenden DuT, U_L,in,min die minimale Klemmenspannung der elektronischen Last bei einem gewünschten DuT-Laststrom I_L (siehe Eingangscharakteristik). Soll z. B ein Schaltregler mit einer Ausgangsspannung von 0,9 V mit einer Last von 30 A belastet werden, so ergibt sich ein max. zulässiger Serienwiderstand von 9 mΩ (bezogen auf die EA3160-60-Charakteristik). Derart geringe Serienwiderstände erfordern besondere Sorgfalt beim Messaufbau. So müssen die verwendeten Verbindungskabel und Anschlüsse auf der DuT-Platine möglichst niederohmig sein.

Die Bilder 3 und 4 zeigen jeweils ein niederohmiges Verbindungskabel und die dazugehörigen Anschlüsse auf der DuT-Platine. Das Kabel besteht aus drei 8-AWG-Litzen mit 8,37 mm², wobei jede max. 24 A tragen kann. AWG steht für „American Wire Gauge“ und bedeutet tatsächlicher Kabel-Querschnitt in mm² & Leiterwiderstand. Die Gesamtstrombelastbarkeit dieses Kabels liegt also bei max. 72 A bei einem Serienwiderstand von etwa 1 mΩ.

Die entsprechenden Anschlüsse auf dem DuT sind fest verlötet und verklebt. Hier wurden gleichfalls 8-AWG-Litzen verwendet. Damit der Serienwiderstand möglichst gering ausfällt, müssen die Anschlüsse direkt an den ausgangsseitigen Kondensatoren der jeweiligen DC/DC-Regler angebracht werden, da die Ausgangskondensatoren selbst sehr nahe am Schaltregler selbst platziert sind und eine gute Kontaktierung ermöglichen.

Teil 5 dieser Serie wird sich einem weiteren Phänomen widmen und im Detail mit der Qualifizierung des Ripples eingehen. All diese Qualifizierungsschritte führt auch Heitec im Rahmen von Produktentwicklungen durch. Bleiben Sie gespannt! (tk)

* Konstantin Vilyuk und Stefan Lange, Engineering Geschäftsgebiet Elektronik, Heitec AG.

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